函数信号发生器的设计毕业设计

本科毕业设计说明书
实用信号发生器的设计
THE DESIGN OF PRACTICAL SIGNAL GENERATOR 学院（部）：电气和信息工程学院
专业班级：电子信息工程
学生姓名：
指导教师：
2011 年06 月02 日
实用信号发生器的设计
摘要
信号发生器是一种常用的信号源，广泛地使用于电子电路、自动控制系统和教学实验。

常用的波形发生器多数采用分立元件组成，不但电路复杂、价格昂贵，而且仅能产生几种常用的信号波形，还很难精确调节各类参数，不能满足实际需要。

因此，本课题利用了AT89S52单片机、DAC0832等元件，通过软、硬结合的方式来实现和开发基于单片机的信号发生器系统。

该信号发生器能方便地产生所需信号波形，其频率、波形不但可调，也能满足精度要求。

该信号发生器系统是通过一块AT89S52单片机控制两片DAC0832芯片，其中一片是产生波形，另一片是调节波形幅度。

这种双通道工作方式，可以让波形和幅度的控制有各自对应的芯片，让其工作起来更加精确。

本系统可以产生不同频率、不同幅值的正弦波、方波和三角波，各种波形在频率要求的范围内基本可以保持很好的形状不失真，通过键盘可选择各种波形以及调节各波形的频率和幅度，最后通过液晶显示器把各个波形以及各种参数显示出来。

本系统操作起来相当简便，成本也比较低廉。

通过实验测试，系统性能优良，参数精确，不失真，波形的幅度范围0V到+5V，频率范围1HZ到1kHZ，能满足低频测试基本需要。

关键词：AT89S52单片机，DAC0832，液晶显示器
THE DESIGN OF PRACTICAL SIGNAL GENERATOR
ABSTRACT
Signal generator is a common source of the signal, widely used in electronic circuits, automatic control system and the teaching experiment. The most commonly used by waveform generator composed of discrete components, circuit not only complex, expensive and can only have several common signal waveform, also difficult to adjust various parameters, we can not To meet actual needs. Therefore, the issue of the AT89S52 SCM, DAC0832, and other components, through software and hardware combination of development and to achieve the signal generator based on the SCM system. The signal generator can easily produce the required signal waveform, its frequency, not only adjustable waveform, but also to meet the requirements of precision.
The signal generator system is controlled by a microcontroller AT89S52 two DAC0832 chip, which is generated a wave, another film to regulate the rate waveform. This dual-channel methods of work, allows waveform and the magnitude of the control of all of the corresponding chip, so work together more precise. This system can produce different frequencies, different amplitude of the sine wave, square wave and triangle wave, the wave of various frequencies within the scope of the basic requirements can not maintain a good shape distortion, through various optional keyboard and adjust the waveform The frequency and magnitude waveform, the final adoption of LCD as well as various parameters of various waveform displayed. The system operated with a simple and relatively low cost. Through the experimental test, excellent performance, precise parameters, no distortion, the wave range 0 V to +5 V, the frequency range 1HZ to 1kHZ, can meet the basic requirements of low frequency tests.
KEY WORDS: AT89S52 SCM, DAC0832, LCD
目录
摘要(中文) (I)
摘要(外文) ........................................................ I I 1 绪论 . (1)
1.1信号发生器综述 (1)
1.1.1信号发生器简介 (1)
1.1.2信号发生器实现方式 (1)
1.1.3信号发生器的分类 (1)
1.2 研究信号发生器的目的及意义 (2)
1.3本课题的研究现状 (3)
1.4主要研究内容 (4)
2 信号发生器系统设计 (5)
2.1系统方案的比较 (5)
2.2系统模块方案选择 (6)
2.2.1控制模块方案选择 (6)
2.2.2显示方案选择 (6)
2.2.3键盘方案选择 (7)
2.2.4 D/A转换方案选择 (7)
2.3 系统总体方案设计 (7)
2.4理论分析 (8)
2.4.1电路的理论计算 (8)
2.4.2波形产生相关理论 (11)
3 系统硬件设计 (13)
3.1单片机最小系统 (13)
3.1.1单片机的介绍及资源分配 (13)
3.1.2单片机最小系统及各部分介绍 (17)
3.2波形产生模块设计 (20)
3.2.1单片机和DAC0832的接口 (20)
3.2.2幅度控制部分 (25)
3.2.3 DAC0832和运放的连接 (26)
3.3 键盘显示模块设计 (27)
3.3.1 键盘电路原理 (27)
3.3.2 键盘接口设计 (29)
3.3.3 液晶显示电路 (31)
4 系统软件设计 .................................... 错误！未定义书签。

4.1系统软件设计方案 (32)
4.2系统软件流程图 (33)
4.3 信号产生子程序流程图 (35)
4.3.1 正弦波产生 (35)
4.3.2 三角波产生 (36)
4.3.3 方波产生 (37)
4.4 单片机软件开发系统 (38)
总结 (40)
参考文献 (41)
致谢 (42)
1 绪论
1.1 信号发生器综述
1.1.1信号发生器简介
信号发生器又称函数发生器、信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的使用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的信号发生器。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的信号发生器。

1.1.2 信号发生器实现方式
根据其频率发生方法可分为谐振法和合成法两种。

一般的传统发生器都是采用谐
振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，来获得所需频率，也可以根据频率合成技术来获得所需频率，称为频率合成器。

函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：
（1）用分立元件组成的函数发生器：通常的单函数发生器频率可调范围不大，其工作不很稳定，不易调试。

（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。

早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。

鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了（2）中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。

MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。

在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

（4）利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。

但成本较高。

1.1.3 信号发生器的分类
信号发生器按其信号波形分为四大类：①正弦信号发生器。

主要用于测量电路
和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。

按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。

②函数（波形）信号发生器。

能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。

除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

③脉冲信号发生器。

能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

④随机信号发生器。

通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。

噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号和系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。

当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。

1.2 研究信号发生器的目的及意义
信号发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在各种实验使用和试验测试处理中，它的使用非常广泛。

它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

信号发生器是一种经常使用的设备，但由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端，如：体积较大、重量较沉、移动不够方便、信号失真较大、波形种类过于单一、波形形状调节过于死板，无法满足用户对精度、便携性、稳定性等的要求。

研究设计出一种具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点的波形发生器具有较好的市场前景，以满足军事、民用、教学科研领域对信号源的要求。

在现代社会中，自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中，其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型使用。

例如，在超声波测量技术中,超声换能器(发射换能器和接收换能器) 是超声波检测技术的核心部件。

高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。

传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC 等分离元件制成。

和此相比,基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。

因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。

利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度，频率，占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。

使用单片机设计的多功能信号发生器,不仅减少了器件,简化了电路,节约了成本,更使得系统稳定节能,方便快捷地输出多种低频信号。

这种结构简单，成本低廉但
是性能优良的信号发生装置已经越来越广泛地使用在现代化控制领域的各个方面。

无论是工业，民用，航空，军事还是商业领域都有信号发生装置的设计使用产品。

本课题的目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现有信号发生器的优缺点，设计一个频率和幅值可调的信号发生器。

通过该课题的设计以掌握单片机系统的软硬件开发过程和基本信号的产生原理、测量及误差分析方法，同时掌握信号发生器系统的设计流程；培养我们综合运用所学的基本知识、基本理论和基本技能的能力，学习解决一般工程技术和有关专业问题的能力，学习工程设计和科学研究的基本方法，完成对所学知识的综合训练。

通过这个信号发生器的设计，不但可以融会贯通以前所学的专业知识对以后学习和工作也会有很大帮助的。

1.3 本课题的研究现状
过去由于频率很低，使用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能使用于越来越广的领域。

波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。

波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。

同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。

从而促进了波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。

目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic, Visual C等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。

函数发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。

函数发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。

美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为1μHz～80MHz，而输出幅度为10mVpp～10Vpp；该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz～4GHz。

国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1μHz～60MHz；国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时使用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz～1024MHz能精确地分辨到100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。

还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是函数发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。

目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种：
超高频：频率范围1MHz以上，可达几十MHZ。

高频：几百KHZ到几MHZ。

低频：频
率范围为几十HZ到几百KHZ。

超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。

超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路。

高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即RC振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。

用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种，即正弦波和脉冲波，其零点不可调，而且价格也比较贵，一般在几百元左右。

在实际使用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用中频，即几十HZ到几十KHZ。

用单片机89S52,加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受单片机运行的程序的控制。

我们可以把产生各种波形的程序，写在ROM中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。

再在DAC0808输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。

这样的机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。

1.4 主要研究内容
（1）理论基础分析。

了解波形发生器的相关理论，包括几种常用波形，如正弦波、方波等，然后介绍了波形发生器的主要方案及原理。

（2）硬件系统设计。

主要包括以下几个模块：串口电路；键盘、LED显示电路；单片机系统；DAC芯片和放大电路设计。

（3）软件系统设计。

主要有：系统总体流程设计；串口程序设计；单片机程序设计；键盘响应程序设计；LED显示程序设计；DAC控制程序设计。

（4）系统仿真调试。

通过计算机进行模拟仿真调试。

2 信号发生器系统设计
2.1系统方案的比较
信号发生器的设计方案可用多种方案来完成。

在设计前对各种方案进行了比较：方案一：采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。

但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，会寄生一些高次谐波分量，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全滤除掉。

方案二：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分器、比较器等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。

这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。

方案三：使用传统的锁相频率合成方法。

通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。

使用锁相环通过分频运算实现频率的步进，这种方案频率稳定度高，但程控比较困难，而且步进范围过大，鉴于锁相环技术比较复杂不易实现，没有采用这种方案。

方案四：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。

MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。

但此方案成本高，程序复杂度高。

方案五：利用AT89S52单片机采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形，再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示波形的种类及频率。

使用单片机的定时器设置定时时间，每半个周期对I/O 口取反一次，从而实现频率输出。

这种方案虽然在高频频段误差比较大，但是编程简单控制容易。

它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。

使用专用函数发生电路，如ICL8038 或MAX038，通过D/A转换调整函数发生器控制电压实现频率的控制，这种方案可以使频率连续可调，省却了波形转换电路，但控制电压和频率的变化不是严格的线性关系，如果不加频率负反馈则频率无法稳定准确，加上频率负反馈将使电路大大复杂，稳定度也会下降，而且如果要实现比较大的带宽，就需要不断更换振荡电容，电路复杂程度进一步增加。

为避免调试困难，没有采用这种方案。

综合比较，方案五既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比较高，且系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的使用系统，单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。

所以采用方案五。

2.2 系统模块方案选择
该信号发生器有以下几部分组成：
（1）控制模块
（2）按键及其显示模块
（3）D/A转换模块三部分组成。

2.2.1控制模块方案选择
方案一：用单片AT89S52作为系统的主控核心。

AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。

它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机。

单片机具有体积小，使用灵活的，易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能等优点。

且单片机功耗低，价格低廉的优点。

方案二：用FPGA等可编程器件作为控制模块。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，密度高，速度快，稳定性好等许多有点。

FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置，因此FPGA在使用中需要配置电路和一定的程序。

并且FPGA作为数字逻辑器件，竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。

方案三：C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有和8051兼容的微控制器内核，和MCS-51指令集完全兼容。

除了具有标准8052的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。

方案选择：在此系统中，采用单片机作为控制器比采用FPGA实现更简便，且单片机性价比更高，故选择单片机。

方案三中C8051F005芯片系统内部结构复杂，不易控制，芯片成本高，价格较贵，对于本系统而言利用率低，而AT89S52芯片比较常用，简单易控制，成本低，性能稳定，故采用方案一。

2.2.2 显示方案选择
方案一：采用LED数码管。

LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。

由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s 时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。

使用数码管显示编程较易，但占用系统资源较多，并且效率低，要显示的内容多，而且数码管不能显示字母。

方案二：采用LCD液晶显示器。

其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

2.2.3 键盘方案选择
方案一：采用矩阵式键盘。

矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。

当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。

当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。

方案二：编码式键盘。

编码式键盘的按键触点接于74LS148芯片。

当键盘上没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出。

方案三：为了提高单片机的资源利用率和运行的效率,按键显示部分我们直接使用zlg7289扩展键盘，键盘和单片机连接。

zlg7289芯片和单片机之间通信方便，而且由zlg7289对键盘进行自动扫描，可以去抖动，充分的提高了单片机的工作效率。

在次系统中，我们直接采用zlg7289扩展键盘实现更简便，确定选择方案三。

2.2.4 D/A转换方案选择
单片机输出的是数字信号，必须通过D/A转换后才能变成模拟信号。

方案一：采用D/A转换器AD7543。

AD7543是一种串行的D/A转换器，和单片机之间的连线少，布线方便，而且又是12位的D/A转换器，精度高。

但串行数据传输速度慢,当频率较高时,必须减少每周期输出的点数,这将会导致阶梯现象更加明显,因此,此方案不宜使用。

方案二：采用DAC0832。

这是8位的并行D/A转换器，转换速度快。

方案三：采用2片DAC0832，如图2-1。

由其中一芯片的输出电压作为另一芯片的参考电压，这样就可以方便的控制最大输出电压。

单片机1号D/A转换器2号D/A转换器
参考电压
输出
2-
图2-1 2片D/A和单片机的接口方案
若采用方案二，在输出电压较低的情况下，比如为1V时，输出的最大电压只有参考电压的1/5，这将会使精度降低，而方案三刚好可以解决这个问题，因此，本系统选择了方案三。

2.3 系统总体方案设计
基本原理：信号发生器采用的是直接数字合成的方法，单片机向DAC0832发送数字编码，产生不同的输出。

先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编
码，得到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A 转换后输出就可以得到波形。

假如N 个点构成波形的一个周期，则DAC 0832输出N 个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。

重复输出N 个点，成为第二个周期。

利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率，这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。

将波形数据存储于存储器中，而后用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址，和每个地址相对应的数据则代表波形在等间隔取样点上的幅度值。

数据被送至DAC ，从而产生一个正比于其数字编码的电压值，每个电压值保持一个时钟周期，直至新的数据送至DAC,经数模转换后得到所需要的模拟电压波形。

本系统由电源、单片机89S52、显示部分、键盘部分、2片8位D/A 转换芯片DAC0832组成的数模转换部分、放大及幅度调节、波形信号输出部分组成。

波形的产生是通过AT89S52 执行某一波形发生程序，向D/A 转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A 转换电路的输出端得到相应的电压波形。

当操作者根据要求对键盘进行操作，然后单片机处理器部分通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，并让显示部分显示出波形种类和频率大小，实现正弦波，方波，三角波，锯齿波这四种常见波形的产生及显示相互切换的功能。

其中电源部分是保证对各个部分的供电。

其结构框图如图2-2所示。

图2-2 系统总体结构框图
2.4 理论分析 2.4.1 电路的理论计算
由图2-3可知到U5的输出将作为DAC0832(2)的基准电压。

假设运放U6的输入为1V ；DAC0832(2)的内部的电阻为1R 。

设U5的输入电压为2V ；DAC0832(2)的内部的电阻为2R 。

下面进行讨论计算：。